ES2686505T3

ES2686505T3 - Procedure to select operating points of a gas turbine

Info

Publication number: ES2686505T3
Application number: ES15719438.2T
Authority: ES
Inventors: Christian Amann; Björn Beckmann; Eberhard Deuker; Kai Kadau; Boris Ferdinand Kock; Georg Rollmann; Sebastian Schmitz; Marcel Zwingenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: CN106460675B; EP2942511A1; WO2015169586A1; CN106460675A; EP3140534B1; US20170044995A1; EP3140534A1

Abstract

Procedimiento para seleccionar puntos de funcionamiento de una turbina de gas considerando al menos una variable de regulación, donde los puntos de funcionamiento están definidos a través de combinaciones de parámetros de variables de ajuste, donde los puntos de funcionamiento se seleccionan automáticamente utilizando un procedimiento de interpolación que se basa en combinaciones de parámetros ya conocidas, caracterizado porque como procedimiento de interpolación se utiliza un procedimiento de interpolación de Kriging.Procedure to select operating points of a gas turbine considering at least one regulation variable, where the operating points are defined through combinations of adjustment variables parameters, where the operating points are automatically selected using an interpolation procedure which is based on already known combinations of parameters, characterized in that a Kriging interpolation procedure is used as the interpolation procedure.

Description

55

1010

15fifteen

20twenty

2525

3030

3535

4040

45Four. Five

50fifty

5555

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Procedimiento para seleccionar puntos de funcionamiento de una turbina de gasProcedure to select operating points of a gas turbine

La presente invención hace referencia a un procedimiento para seleccionar puntos de funcionamiento de una turbina de gas considerando al menos una variable de regulación, donde los puntos de funcionamiento están definidos al menos a través de combinaciones de parámetros de variables de ajuste.The present invention refers to a method for selecting operating points of a gas turbine considering at least one regulation variable, where the operating points are defined at least through combinations of parameters of adjustment variables.

Las turbinas de gas son turbomáquinas que usualmente presentan un compresor, una turbina y una disposición de quemadores, la cual comprende varios quemadores, así como al menos una cámara de combustión, donde los quemadores forman diferentes etapas del quemador, como por ejemplo una etapa del quemador piloto y varias etapas del quemador principales. Durante el funcionamiento de una turbina de gas, el compresor succiona aire ambiente y lo comprime. A continuación, el aire comprimido es conducido a los quemadores individuales y en éstos se mezcla con combustible. Seguidamente, la mezcla de combustible - aire generada se quema en la cámara de combustión. Los gases residuales de combustión calientes que se producen durante la combustión se suministran entonces a una turbina, donde éstos accionan los álabes guía. De este modo, energía térmica de los gases residuales de combustión se transforman en trabajo mecánico, el cual por una parte se utiliza para accionar el compresor y, por otra parte, para accionar un consumidor, como por ejemplo un generador para generar corriente eléctrica. Un procedimiento para seleccionar puntos de funcionamiento de una turbina de gas se describe en la solicitud WO2011/064343. Durante el funcionamiento de una turbina de gas debe prestarse atención a que valores de variables de regulación predeterminadas se ubiquen en rangos objetivo admisibles. Como variable de regulación importante puede mencionarse por una parte la estabilidad de combustión de la turbina de gas, la cual se denomina también como "comportamiento de ruido". Durante la combustión, inestabilidades son provocadas en particular debido a variaciones de liberación de calor resonantes y pueden causar oscilaciones y vibraciones de la cámara de combustión, las cuales reducen la vida útil de la cámara de combustión y acortan los intervalos de mantenimiento. De manera correspondiente debe asegurarse que no se superen valores límite admisibles. Otra variable de regulación importante se trata del comportamiento de emisión de la turbina de gas, el cual es influenciado por la estabilidad de combustión. De este modo, en muchos países no pueden superarse valores de emisión predeterminados. También aquí debe garantizarse que se observen los valores admisibles.Gas turbines are turbomachines that usually have a compressor, a turbine and a burner arrangement, which comprises several burners, as well as at least one combustion chamber, where the burners form different stages of the burner, such as a stage of the pilot burner and several main burner stages. During the operation of a gas turbine, the compressor sucks ambient air and compresses it. Next, the compressed air is taken to the individual burners and mixed with fuel. Next, the fuel-air mixture generated is burned in the combustion chamber. The hot combustion waste gases produced during combustion are then supplied to a turbine, where they drive the guide vanes. In this way, thermal energy from the combustion waste gases is transformed into mechanical work, which on the one hand is used to drive the compressor and, on the other hand, to drive a consumer, such as a generator to generate electric current. A procedure for selecting operating points of a gas turbine is described in application WO2011 / 064343. During the operation of a gas turbine, attention should be paid to the fact that the values of predetermined regulation variables are within the permissible target ranges. The combustion stability of the gas turbine, which is also referred to as "noise behavior", can be mentioned as an important regulation variable. During combustion, instabilities are caused in particular due to resonant heat release variations and can cause oscillations and vibrations of the combustion chamber, which reduce the life of the combustion chamber and shorten maintenance intervals. Correspondingly, it must be ensured that permissible limit values are not exceeded. Another important regulation variable is the emission behavior of the gas turbine, which is influenced by the combustion stability. Thus, in many countries predetermined emission values cannot be exceeded. Here too, it must be ensured that the admissible values are observed.

Una regulación adecuada de una o de más variables de regulación puede alcanzarse a través de la selección de puntos de funcionamiento adecuados de la turbina de gas, los cuales están definidos al menos por combinaciones de parámetros de variables de ajuste. Como variables de ajuste pueden nombrarse en particular un flujo volumétrico de combustible total suministrado a la turbina de gas y una división del flujo volumétrico de combustible total en las etapas del quemador individuales de la turbina de gas. Ambas variables de ajuste tienen una influencia determinante tanto sobre el comportamiento de emisión, como también sobre la estabilidad de combustión de la turbina de gas. Sin embargo, un problema reside en el hecho de que los puntos de funcionamiento adecuados varían de turbina de gas a turbina de gas inclusive cuando las turbinas de gas están realizadas con la misma construcción. El motivo para esa variación se encuentra particularmente en diferentes condiciones ambiente, una calidad variable del gas y exigencias específicas del cliente. Además, los puntos de funcionamiento de una instalación de turbina de gas, con el tiempo, pueden estar sujetos a modificaciones. Esto conduce al hecho de que la selección de puntos de funcionamientos adecuados debe tener lugar de forma separada para cada turbina de gas, al igual que un ajuste posterior de los puntos de funcionamiento.An adequate regulation of one or more regulation variables can be achieved through the selection of suitable operating points of the gas turbine, which are defined at least by combinations of parameters of adjustment variables. As adjustment variables, in particular, a volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine and a division of the volumetric flow of total fuel in the individual burner stages of the gas turbine can be named. Both adjustment variables have a determining influence on both the emission behavior and the combustion stability of the gas turbine. However, a problem lies in the fact that the proper operating points vary from gas turbine to gas turbine even when the gas turbines are made with the same construction. The reason for this variation is particularly in different ambient conditions, a variable quality of gas and specific customer requirements. In addition, the operating points of a gas turbine installation, over time, may be subject to modifications. This leads to the fact that the selection of suitable operating points must take place separately for each gas turbine, as well as a subsequent adjustment of the operating points.

Hasta el momento, la selección de puntos de funcionamiento adecuados de una turbina de gase tiene lugar de forma manual. De este modo, en primer lugar, se orienta con líneas de conducción y campos característicos de turbinas de gas ya existentes, que después se modifican. Sin embargo, debido al gran rango de parámetros y a la pluralidad de variables de influencia, una selección manual de puntos de funcionamiento requiere mucha experiencia y además insume una gran cantidad de tiempo. También es difícil reaccionar frente a desviaciones no previstas de las variables de regulación.So far, the selection of suitable operating points of a gas turbine takes place manually. Thus, first, it is oriented with conduction lines and characteristic fields of existing gas turbines, which are then modified. However, due to the wide range of parameters and the plurality of influence variables, a manual selection of operating points requires a lot of experience and also takes a great deal of time. It is also difficult to react to unforeseen deviations of the regulation variables.

Tomando como base el estado del arte mencionado, un objeto de la presente invención consiste en crear un procedimiento alternativo de la clase mencionada en la introducción, el cual pueda ejecutarse de forma sencilla, rápida y económica.Based on the state of the art mentioned, an object of the present invention is to create an alternative procedure of the kind mentioned in the introduction, which can be executed simply, quickly and economically.

Para solucionar dicho objeto, la presente invención crea un procedimiento de la clase mencionada en la introducción, el cual está caracterizado porque los puntos de funcionamiento se seleccionan automáticamente utilizando un procedimiento de interpolación que se basa en combinaciones de parámetros ya conocidas, donde como procedimiento de interpolación se utiliza un procedimiento de interpolación de Kriging. Con ese procedimiento de interpolación se han alcanzado muy buenos resultados. Como combinaciones de parámetros conocidas, según la invención, se consideran aquellas combinaciones de parámetros que son conocidas para los respectivos valores de las variables de regulación. A este respecto se considera ventajosa la utilización de un procedimiento de interpolación al seleccionar puntos de funcionamiento, de manera que se posibilita un muy buen equilibrio entre la exploración del rango de parámetros y el aprovechamiento de la información ya obtenida, lo cual conduce a unaTo solve said object, the present invention creates a procedure of the kind mentioned in the introduction, which is characterized in that the operating points are automatically selected using an interpolation procedure that is based on known parameter combinations, where as a method of interpolation a Kriging interpolation procedure is used. With this interpolation procedure, very good results have been achieved. As combinations of known parameters, according to the invention, those combinations of parameters that are known for the respective values of the regulation variables are considered. In this regard, it is considered advantageous to use an interpolation procedure when selecting operating points, so that a very good balance between the exploration of the parameter range and the use of the information already obtained is possible, which leads to a

55

1010

15fifteen

20twenty

2525

3030

3535

4040

45Four. Five

exploración muy eficiente del rango de parámetros. En base a las combinaciones de parámetros ya existentes o iniciadas de las variables de ajuste, respectivamente puede calcularse el siguiente punto de funcionamiento, con la condición de que la mejora prevista asuma un punto máximo. De este modo, puntos de funcionamiento optimizados pueden localizarse automáticamente y seleccionarse dentro de duraciones cortas.Very efficient scan of the parameter range. Based on the combinations of existing or initiated parameters of the adjustment variables, the following operating point can be calculated respectively, on condition that the expected improvement assumes a maximum point. In this way, optimized operating points can be automatically located and selected within short durations.

De manera preferente, las variables de ajuste comprenden un flujo volumétrico de combustible total suministrado a la turbina de gas y/o una división del flujo volumétrico de combustible total suministrado a la turbina de gas en etapas del quemador individuales de la turbina de gas y/o una temperatura de salida de la turbina de gas y/o una posición de álabes de prerrotación de la turbina de gas.Preferably, the adjustment variables comprise a volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine and / or a division of the volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine into individual burner stages of the gas turbine and / or an outlet temperature of the gas turbine and / or a position of pre-rotation blades of the gas turbine.

Preferentemente, las variables de regulación describen el comportamiento de emisión de la turbina de gas y/o la estabilidad de combustión de la turbina de gas, ya que dichas variables de regulación repercuten en particular en el comportamiento de funcionamiento de la turbina de gas.Preferably, the regulation variables describe the emission behavior of the gas turbine and / or the combustion stability of the gas turbine, since said regulation variables have a particular impact on the operating behavior of the gas turbine.

En la selección de puntos de funcionamiento, de manera ventajosa, se considera la influencia de variables perturbadoras, como por ejemplo la temperatura ambiente y/o la humedad del aire del ambiente y/o la presión ambiente y/o la densidad y el valor calorífico del combustible, por mencionar sólo algunos ejemplos.In the selection of operating points, advantageously, the influence of disturbing variables is considered, such as ambient temperature and / or ambient air humidity and / or ambient pressure and / or density and calorific value of fuel, to mention just a few examples.

De acuerdo con una variante de la presente invención, las combinaciones de parámetros ya conocidas son aquellas que han sido determinadas a través de la variación manual de los parámetros, donde en el caso de la variación manual de los parámetros se parte preferentemente de combinaciones de parámetros conocidas de una turbina de gas ya existente.According to a variant of the present invention, the known parameter combinations are those that have been determined through the manual variation of the parameters, where in the case of the manual variation of the parameters it is preferably based on parameter combinations known from an existing gas turbine.

Otras características y ventajas de la presente invención se aclaran mediante la siguiente descripción de un procedimiento según una forma de ejecución de la presente invención, haciendo referencia al dibujo que se adjunta, el cual se trata de un diagrama esquemático que representa una interpolación de Kriging para el caso unidimensional.Other features and advantages of the present invention are clarified by the following description of a method according to an embodiment of the present invention, referring to the attached drawing, which is a schematic diagram representing a Kriging interpolation for The one-dimensional case.

Conforme a Kriging, una mejora prevista se da a través deAccording to Kriging, an expected improvement occurs through

imagen1image 1

De este modo, x indica la regulación de parámetros, ymin el mínimo de la variable de regulación hallado hasta el momento, y el valor de la variable de regulación para x pronosticado a través del interpolador Kriging, y s la desviación estándar estimada de la variable de regulación, donde O, así como 9, son la función de distribución y la función de densidad de la distribución normal estándar.Thus, x indicates the regulation of parameters, and min the minimum of the regulation variable found so far, and the value of the regulation variable for x predicted through the Kriging interpolator, and s the estimated standard deviation of the variable of regulation, where O, as well as 9, are the distribution function and the density function of the standard normal distribution.

El diagrama muestra a modo de ejemplo el modo de funcionamiento de la interpolación de Kriging para el caso unidimensional. Los puntos de funcionamiento BP1 a BP9 ya son conocidos. Esto significa que para los puntos de funcionamiento BP1 a BP9 se conocen los valores que asume la variable de regulación en esos puntos de funcionamiento. Los respectivos pares se representan a través de cruces correspondientes. Los valores de las variables de regulación para los puntos de funcionamiento BP1 o BP9 pueden haber sido determinados por ejemplo a través de la variación manual de los valores x. La línea continua que une unas con otras las cruces, representa la función de los valores de la variable de regulación, pronosticados a través del interpolador Kriging, para diferentes valores x. La línea discontinua representa un nivel de confidencia inferior. Naturalmente, la inseguridad es mayor allí en donde se encuentra presente poca información, en este caso entre los puntos de funcionamiento BP7 y BP8, los cuales están más distanciados uno de otro en la dirección del eje x. Se representa además una barrera inferior que define la mejora prevista. De manera correspondiente, otro punto de funcionamiento BP10 puede encontrarse en un área en la cual no se hallaron valores particularmente reducidos para y, pero donde el contenido de información aún es reducido.The diagram shows, by way of example, the operating mode of Kriging interpolation for the one-dimensional case. Operating points BP1 to BP9 are already known. This means that the values assumed by the regulation variable at those operating points are known for the operating points BP1 to BP9. The respective pairs are represented through corresponding crosses. The values of the regulation variables for the operating points BP1 or BP9 may have been determined, for example, by manual variation of the x values. The continuous line that joins the crosses with each other, represents the function of the values of the regulation variable, predicted through the Kriging interpolator, for different x values. The dashed line represents a lower level of confidence. Naturally, the insecurity is greater where there is little information, in this case between the BP7 and BP8 operating points, which are further apart from each other in the x-axis direction. It also represents a lower barrier that defines the expected improvement. Correspondingly, another BP10 operating point can be found in an area where no particularly reduced values were found for y, but where the information content is still reduced.

En el procedimiento según la invención, el procedimiento de Kriging representado a modo de ejemplo en el dibujo se aplica en el rango de parámetros multidimensional para, en base a puntos de funcionamiento ya conocidos, buscar sistemáticamente nuevos puntos de funcionamiento prometedores y, si se comprueba que éstos son adecuados, seleccionarlos de forma automática. De este modo, en principio puede considerarse cualquier cantidad deseada de variables de ajuste y variables de regulación. Los puntos de funcionamiento se definen a través de combinaciones de parámetros de las variables de ajuste. De manera alternativa pueden definirse puntos de funcionamiento a través de combinaciones de parámetros de variables de ajuste y variables perturbadoras.In the process according to the invention, the Kriging method represented by way of example in the drawing is applied in the range of multidimensional parameters to, based on known operating points, systematically search for promising new operating points and, if checked that these are appropriate, select them automatically. Thus, in principle any desired amount of adjustment variables and regulation variables can be considered. The operating points are defined through combinations of parameters of the adjustment variables. Alternatively, operating points can be defined through combinations of parameters of adjustment variables and disturbing variables.

Las variables de ajuste pueden comprender un flujo volumétrico de combustible total suministrado a la turbina de gas y/o una división del flujo volumétrico de combustible total suministrado a la turbina de gas en etapas del quemador individuales de la turbina de gas y/o una temperatura de salida de la turbina de gas y/o una posición de álabes de prerrotación de la turbina de gas, sólo por mencionar algunos ejemplos.The adjustment variables may comprise a volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine and / or a division of the volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine into individual burner stages of the gas turbine and / or a temperature output of the gas turbine and / or a position of pre-rotation blades of the gas turbine, just to mention a few examples.

5 Las variables de regulación pueden describir por ejemplo el comportamiento de emisión de la turbina de gas y/o la estabilidad de combustión de la turbina de gas.5 The regulation variables can describe for example the emission behavior of the gas turbine and / or the combustion stability of the gas turbine.

Son ejemplos de variables perturbadoras la temperatura ambiente y/o la humedad del aire del ambiente y/o la presión ambiente.Examples of disturbing variables are ambient temperature and / or ambient air humidity and / or ambient pressure.

Si bien la invención fue ilustrada y descrita en detalle a través del ejemplo de ejecución preferente, la invención no 10 se limita a los ejemplos descritos, de manera que el experto puede deducir otras variantes en base a ello, sin abandonar el alcance de protección de la invención.Although the invention was illustrated and described in detail by way of the preferred embodiment, the invention is not limited to the examples described, so that the expert can deduce other variants based on it, without abandoning the scope of protection of the invention.

Claims

1. Procedure for selecting operating points of a gas turbine considering at least one regulation variable, where the operating points are defined through combinations of adjustment variable parameters, where the operating points are automatically selected using

5 an interpolation procedure based on known parameter combinations, characterized in that a Kriging interpolation procedure is used as the interpolation procedure.

2. Method according to claim 1, characterized in that the adjustment variables comprise a volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine or a division of the volumetric flow of total fuel supplied to the gas turbine into individual burner stages of the turbine of gas or a temperature of

10 gas turbine outlet or a position of gas turbine pre-rotation vanes.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the regulation variables describe the emission behavior of the gas turbine and / or the combustion stability of the gas turbine.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the influence of disturbing variables is considered in the selection of operating points.

Method according to claim 4, characterized in that the disturbing variables comprise the

ambient temperature and / or ambient air humidity and / or ambient pressure.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the combinations of parameters already known are those that have been determined through manual variation of the parameters.

Method according to claim 6, characterized in that the manual variation of the parameters starts from

of combinations of known parameters of an existing gas turbine.